Эволюция звука. Аналоговый и цифровой звук

Вот уже много тысяч лет существует на земле человек. Что осталось от первых следов его пребывания на нашей планете? Очень немногое. Останки, предметы быта, руины строений, да ещё тексты, из которых мы можем что-то узнать. Всё это, пусть и с потерями, сохранилось. Но чего люди не могли сохранять – так это звуки, которые они слышали. Да, конечно, люди со временем дошли до идеи нотной грамоты, благодаря чему мы можем приблизительно представить себе, какая музыка звучала в Средневековье и даже в поздней Античности. Но голоса певцов того времени, подлинные наигрыши музыкантов того времени до нас не дошли.

Современный человек, скорее всего, даже представить себе не может жизни без того, без чего наши предки были вынуждены жить целыми тысячелетиями. Представляете – приходят люди на выступление юного вундеркинда по фамилии Моцарт, слушают, восторгаются, изливают свои восторги устно и письменно… И это всё. Всё, что они могут передать современникам и потомкам – это ноты великих произведений и школа музыкального мастерства. А для того, чтобы наслаждаться музыкой в любое удобное для себя время, человек сам должен уметь музицировать. (Или, в варианте для богатых и ленивых, держать музыкантов у себя дома на положении прислуги).

Так было до тех пор, пока не была изобретена звукозапись. Это была настоящая революция! Патефоны, а затем виниловые проигрыватели и магнитофоны, серьёзно потеснили живое музыкальное исполнение в домашнем обиходе, а затем и во многих общественных местах, где прежде обязательно звучала живая музыка.

И пластинки, и магнитофонная лента несли на себе, если можно так выразиться, непосредственный отпечаток звука. Колебания воздуха, регистрируемые звукоснимающим устройством (мембраной, а впоследствии микрофоном) записывались на носитель, где вместо воздуха могла, например, колебаться игла, оставляя волнообразный след на поверхности того, что впоследствии становилось пластинкой. Или же могла колебаться магнитная сила головки магнитофона, оставляя след на плёнке. Воспроизводящее устройство вновь воспринимало эти колебания – с пластинки или с ленты, заставляло колебаться мембрану или электрический динамик, волны от которых вновь начинали распространяться в воздухе – и таким образом запись начинала звучать.

Звук, в котором исходной звуковой волне соответствовал физический «отпечаток» этой волны на каком-либо носителе, получил название аналогового. Аналоговый звук всё время улучшался, но у всех аналоговых носителей аудиоинформации был один недостаток: носители не могли вечно существовать в первозданном состоянии. У пластинок от проигрывания стирались и царапались канавки, магнитная лента размагничивалась, тянулась и рвалась, и не было никакого способа уйти от постепенной деградации звука. Хуже всего дело обстояло с перезаписью, потому что при каждой перезаписи с предыдущего «отпечатка» звука делался новый «отпечаток», и звук при каждом новом копировании уходил всё дальше от оригинала. Представьте себе документ, который отксерокопировали несколько раз, причём каждая последующая копия делалась с предыдущей. Примерно то же происходит с аналоговым звуком при перезаписи.

А что если кодировать звук? Двоичный код состоит из всего двух типов сигнала (0 и 1, или в переводе на язык логики, «нет» и «да»), который легко распознать даже при некоторой порче физического носителя – например, при частичном размагничивании ленты, на которую был записан код. Ещё код можно защитить от повреждения специальными математическими алгоритмами, к тому же при перезаписи код копируется с точностью до знака – отпечаток звука не создаётся заново, как это происходит при перезаписи аналогового сигнала. Можно переписывать звук с одного цифрового носителя на другой, и копия ни в чём не будет уступать оригиналу!

Разработки по кодированию аудиосигнала велись уже в тридцатые годы двадцатого века для нужд телефонии. Сначала данные в таком виде лишь передавались, но не записывались. А в 1957 году инженер лабораторий Белла Макс Мэтьюс написал один из первых компьютерных аудиоредакторов MUSIC, в котором можно было программировать звук и записывать результат в цифровом виде на магнитную ленту.

Способы кодирования и раскодирования цифровой информации совершенствовались, появлялись всё новые алгоритмы их защиты от ошибок. В конце шестидесятых годов появились первые модели цифровых рекордеров, а в 1972 году цифровая мастер-копия впервые была сделана при записи музыкального альбома. Шла работа и над носителями информации: помимо магнитных носителей, был предложен также оптический. В итоге в 1982 году, после многочисленных доработок, был принят стандарт компакт-диска, оказавший на цифровую музыкальную индустрию очень сильное влияние. Большинство других стандартов записи до сегодняшнего дня сравниваются именно со стандартом Audio-CD.

Точность цифрового кода задаёт жёсткие рамки тому, насколько полно будет представлен в нём звук. Так, на аудиодиске код обновляет своё значение 44100 раз в секунду (частота такого обновления называется частотой дискретизации). Для того, чтобы кодировать простейшую волновую функцию, необходимо хотя бы два значения. Следовательно, самая короткая волна, которую можно записать на диск – это 22050 колебаний в секунду, или герц. До этого значения код вполне однозначно передаёт информацию о звуке, но дальше уже не может. Такое значение максимальной частоты выбрано не случайно. 22500 герц – это очень высокий звук, и предполагается, что такого предела вполне остаточно для того, чтобы передать весь слышимый человеком спектр. По большому счёту, самые высокие звуки, которые может «взять» компакт-диск – это уже ультразвук.

Защита от ошибок, точность в передаче слышимого спектра… Казалось бы, одни плюсы? Но всё-таки нет. Дискретность сигнала вносит в него некоторые искажения. В основном эти искажения связаны с глубиной звука – то есть тем, насколько точно передаётся значение волновой функции в каждый отсчётный момент времени, что, в свою очередь, влияет на то, насколько точно на фоне более громких звуков прописаны более тихие. Параметр, отвечающий за это, называется квантованием, а глубина квантования задаётся количеством кодовых единичек и нулей – бит – для каждого следующего обновления данных о звуке.

При кодировании глубиной 16 бит, как на дисках, появляется шум квантования, который добавляет в звук очень небольшие, но не очень приятные призвуки. Одним из решений этой проблемы стала разработка более продвинутых стандартов цифрового звука по сравнению с CD (с увеличением глубины квантования и/или частоты дискретизации, а также разными усовершенствованиями самого алгоритма аналогово-цифрового преобразования). В рамках же стандарта Audio CD проблема была фактически решена, когда научились подмешивать к записи мизерный уровень шума на пределе слышимости, который просто гасит большую часть искажений ценой практически незаметного на слух снижения диапазона громкости. Такой метод называется дизеринг (dithering) и применяется сегодня при профессиональном создании цифрового звука практически повсеместно.

Итак, за точность цифрового звука отвечают два главных параметра: это частота дискретизации и глубина квантования. На обычном компакт-диске, как мы выяснили, 44100 раз в секунду обновляется значение 16-битного кода, несущего информацию о форме звуковой волны. Точнее, таких кодов даже два: один отвечает за правый канал аудиодорожки, а другой за левый. Значит, при воспроизведении диска через цифрово-аналоговый преобразователь проходит 16x44100x2=1411200 бит, или примерно 1411 килобит (тысяч бит) в секунду.

Много это или мало? На диск помещается 74 минуты музыки. Это существенно больше, чем длительность одного музыкального альбома виниловой эпохи. Однако стоило поначалу такое удовольствие недёшево. А когда слушатели начали переносить содержимое своей аудиоколлекции на компьютеры, то выяснилось, что вообще-то место на жёстком диске быстро заканчивается. Так возникла идея сжатого цифрового звука. О том, каким образом она была реализована и какие форматы породила, мы расскажем в нашей следующей статье.